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CN114657334B - 兼具组织控制和硬度控制的矿用圆环链钢23MnNiMoCr54的退火工艺 - Google Patents

兼具组织控制和硬度控制的矿用圆环链钢23MnNiMoCr54的退火工艺 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属材料领域，公开了一种兼具组织控制和硬度控制的矿用圆环链钢23MnNiMoCr54的退火工艺，采用连续式退火炉，连续退火炉采用分区式加热，分为12～16个区域，分别为加热段、高温均热段、低温均热段和缓冷段。采用本发明工艺退火后，高强度矿用圆环链钢23MnNiMoCr54的金相组织由退火前的贝氏体+马氏体转变为粒状贝氏体+回火索氏体+分布着少量颗粒状碳化物的铁素体，碳化物球化率≥65％，表面脱碳层深度＜250μm；组织致密、硬度均匀；采用本发明工艺生产的23MnNiMoCr54圆钢制作圆环链后能够满足高强度矿用圆环链生产使用要求，圆环链疲劳循环次数≥3万次。

Description

兼具组织控制和硬度控制的矿用圆环链钢23MnNiMoCr54的退 火工艺
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种矿用圆环链钢23MnNiMoCr54，具体涉及一种兼具组织控制和硬度控制的矿用圆环链钢23MnNiMoCr54的退火工艺。
背景技术
煤炭资源在我国经济社会发展中起着非常重要的作用，煤炭开采工作则是经济产业发展的一个重要环节，随着我国经济的持续发展，先进的煤矿开采技术也在逐渐成熟，而且前景广阔。圆环链作为煤矿开采及运输设备中的关键传动件,在采煤和运煤复杂环境下工作需要承受较大的循环拉力，而23MnNiMoCr54钢作为圆环链生产原材料，钢材的质量控制直接会影响到链环甚至煤矿开采的安全稳定运行。现代煤矿开采对圆环链条要求具有高强度、高韧性及高疲劳性能，而矿用圆环链钢材23MnNiMoCr54的质量控制非常关键，其中钢材硬度及组织控制直接影响到圆环链生产过程剪切下料断口、焊接质量，进而影响成品链条疲劳寿命。而退火工艺是钢材组织及硬度控制的关键，对钢材组织均匀性、力学性能稳定性、提升疲劳寿命等具有重要作用。
CN111560499A公开了一种高强度级别矿用链用钢的退火工艺，通过优化退火炉段分区长度及分区温度，合理分配高温区和低温区的分配时间，增加高温区的时长，维持高温退火阶段的稳定性，从而实现不同规格热轧材同步生产。但是发明人在研究过程中发现，采用该发明技术分方案退火后的圆环链钢其球化率和组织均匀性以及耐疲劳性均有待于进一步提高。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种兼具组织控制和硬度控制的矿用圆环链钢23MnNiMoCr54的退火工艺。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种兼具组织控制和硬度控制的矿用圆环链钢23MnNiMoCr54的退火工艺，包括以下步骤：
1)采用连续式退火炉；
2)连续退火炉采用分区式加热，分为12～16个区域；
3)连续退火炉分区后的区域，分别为加热段、高温均热段、低温均热段和缓冷段，所述加热段以＜150℃/h的速率预热钢材；所述高温均热段温度T1为700～710℃，保温时间t1为1～2h；所述低温均热段温度T2为650～670℃，保温时间t2为4～6h；所述缓冷段温度T3为550～600℃，出炉后空冷。
在本发明的一种优选实施方式中，连续退火炉采用分区式加热，分为14个区域，其中，1～2区为加热段，3～4区为高温均热段，5～10区为低温均热段，11～14区为缓冷段。
优选的，在退火炉中进料速度为3～5m/h
优选的，所述加热段、高温均热段、低温均热段和缓冷段，每段的区间数可根据进料速度进行增加或减少，通过进料速度和区间长度控制保温时间。
本发明所述的23MnNiMoCr54钢，其标准化学成分质量百分比为：C0.20～0.26％，Si≤0.25％，Mn1.10～1.40，P≤0.012％，S≤0.010，Cr0.40～0.60，Ni0.90～1.10％，Mo0.50～0.60％，Al0.020～0.050％，Cu≤0.25％余量为Fe。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明将整个加热过程分为四个阶段，采用本发明工艺方法生产后高强度矿用圆环链钢23MnNiMoCr54的金相组织为贝氏体、回火索氏体和分布着少量颗粒状碳化物的铁素体，碳化物分布均匀，表面脱碳层浅，碳化物球化率≥65％，表面脱碳层深度＜250μm，组织均匀、致密；
(2)采用本发明工艺方法生产后高强度矿用圆环链钢23MnNiMoCr54的布氏硬度为190～200HB，硬度均匀，散差小；
(3)采用本发明工艺生产的矿用圆环链钢23MnNiMoCr54兼具组织控制和硬度控制，预备组织良好，能够满足高强度矿用圆环链生产使用要求，圆环链疲劳循环次数3万次以上。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是退火工艺曲线示意图。
图2是退火前圆环链钢的扫描电镜组织照片。
图3是退火温度低于713℃后圆环链钢显微组织照片。
图4是退火温度高于713℃后圆环链钢显微组织照片。
图5是实施例10退火后圆环链钢显微组织照片。
图6是退火后圆环链钢边部脱碳层金相照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1～9
一种23MnNiMoCr54钢，具有如下的质量百分比化学成分：0.23％C、0.24Si、1.22％Mn、0.48％Cr、0.54％Mo、0.96％Ni、0.012％P、0.003％S、0.04％Cu，0.03％Al，余量为Fe。
兼具组织控制和硬度控制的矿用圆环链钢23MnNiMoCr54的退火工艺，包括以下步骤：
步骤一：采用罗伊连续式退火炉，退火炉的进料速度为3～5m/h，以＜150℃/h的速率预热钢材，退火炉中的最高温度设置为T1，在此温度下保温时为t1；
步骤二：步骤一保温完成后，降至T2温度，在此温度下保温时间为t2；
步骤三：步骤二保温完成后，缓冷至550～600℃出炉，出炉后空冷；
采用正交实验法制定了9种实施例，具体工艺参数及退火后硬度如表1所示。
表1实施例1～9的退火工艺参数及退火后硬度
编号 T1/℃ t1/h T2/℃ t2/h 布氏硬度/HB
实施例1 675 1 610 4 221～244
实施例2 675 2 640 5 214～237
实施例3 675 3 670 6 209～230
实施例4 705 1 640 6 199～216
实施例5 705 2 670 4 194～200
实施例6 705 3 610 5 200～217
实施例7 735 1 670 5 236～249
实施例8 735 2 610 6 238～252
实施例9 735 3 640 4 226～247
23MnNiMoCr54棒材退火前金相组织为贝氏体、马氏体和分布着颗粒状碳化物的铁素体，见图2。轧材退火前硬度较高，约为250～285HB。上表中实施例1-9为正交实验，均属于不合适的退火工艺，但通过9个实施例可以得到4个工艺参数的最优解。当T1为705℃和675℃，低于临界相变点713℃时，硬度下降较多，马氏体退火生成回火索氏体，贝氏体退火后碳化物熔断成球粒，硬度下降较多，而T1为705℃时硬度下降更明显，见图3。当T1为735℃，高于临界相变点713℃时，组织向奥氏体转变，冷却后生成粗大的马氏体，导致硬度明显增加，见图4。链环钢的硬度越低，越有利于后续加工，综上，最优的T1温度区间为700～710℃，高于710℃会生成马氏体，低于700℃会导致回火不完全，两者都会导致硬度上升。
保温时间t1对于组织硬度影响极小，为了提高效率应控制在1～2h。
T2的区间为650～670℃，高于670℃会生成大量马氏体导致硬度上升，低于650℃球化率下降，球化率影响链环成形后的力学性能，通常要求大于65％。
保温时间t2对于组织硬度影响较小，最合理的保温时间t2为4～6h，退火完全的同时也能使工时最短。
保温完成后缓冷至550～600℃出炉，高于600℃会导致硬度上升，低于550℃影响退火效率。
综上所述，为保证退火后的显微组织中碳化物的球化率≥65％，组织均匀、致密，硬度控制在190～200HB，制定优化工艺为：高温均热段温度T1为700～710℃，保温时间t1为1～2h；低温均热段温度T2为650～670℃，保温时间t2为4～6h；所述缓冷段温度T3为550～600℃，出炉后空冷。
实施例10
参见图1，为本实施例退火工艺曲线示意图，具体步骤如下：
步骤一：采用罗伊连式续退火炉，退火炉的进料速度为4m/h，以＜150℃/h的速率预热钢材，退火炉中的最高温度T1设置为710℃，在此温度下保温时间t1为1h；
步骤二：步骤一保温完成后，降至T2温度670℃，在此温度下保温时间t2为5h；
步骤三：步骤二保温完成后，缓冷至550℃出炉，出炉后空冷。
实施例10退火后的圆环链钢，显微组织为退火态的贝氏体、回火索氏体和分布着少量粒状碳化物的铁素体，球化率达72％以上，组织均匀、致密，见图5。表面脱碳层深度＜250μm，见图6。截面硬度192～200HB，硬度分布均匀。制作圆环链后疲劳循环次数达4.3万次。
实施例11
步骤一：采用罗伊连式续退火炉，退火炉的进料速度为4m/h，以＜150℃/h的速率预热钢材，退火炉中的最高温度T1设置为700℃，在此温度下保温时间t1为1.5h；
步骤二：步骤一保温完成后，降至T2温度650℃，在此温度下保温时间t2为4.5h；
步骤三：步骤二保温完成后，缓冷至550℃出炉，出炉后空冷。
实施例11退火后的圆环链钢，显微组织为退火态的贝氏体、回火索氏体和分布着少量粒状碳化物的铁素体，球化率达70％以上，组织均匀、致密，表面脱碳层深度＜250μm。截面硬度190～198HB，硬度分布均匀。制作圆环链后疲劳循环次数达3.8万次。
对比实施例
本实例的工艺参数根据目现有专利CN111560499A而制定，主要步骤如下：
步骤一：采用罗伊连式续退火炉，退火炉的进料速度为7.5m/h；
步骤二：退火炉1-2区温度设定为680℃，3-9区温度设定为710℃，10-11区温度设定为650℃，12区温度设定为630℃，13区温度设定为600℃；
步骤三：出炉后空冷。
本实施例，退火后的圆环链钢，显微组织为退火态的贝氏体、回火屈氏体和分布着少量粒状碳化物的铁素体，球化率仅40％，组织不均匀。截面硬度221～247HB，硬度偏高且波动较大。制作圆环链后疲劳循环次数2.9万次。
本发明与现有专利要求相比，控制更加精确，组织更均匀致密、硬度低且均匀，制作圆环链后疲劳循环次数大于3.0万次，满足使用要求。本发明以各段的温度和时间为要求，不仅适用于连续式退火，也适用于非连续式退火，便于实际使用和操作，具有广泛适用性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种兼具组织控制和硬度控制的矿用圆环链钢23MnNiMoCr54的退火工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用连续式退火炉；
2)连续退火炉采用分区式加热，分为12～16个区域；
3)连续退火炉分区后的区域，分别为加热段、高温均热段、低温均热段和缓冷段，所述加热段以＜150℃/h的速率预热钢材；所述高温均热段温度T1为700～710℃，保温时间t1为1～2h；所述低温均热段温度T2为650～670℃，保温时间t2为4～6h；所述缓冷段温度T3为550～600℃，出炉后空冷；
退火后的圆环链钢，显微组织为退火态的贝氏体、回火索氏体和分布着少量粒状碳化物的铁素体，球化率达70％以上，组织均匀、致密，表面脱碳层深度＜250μm；截面硬度190～198HB，硬度分布均匀。
2.根据权利要求1所述兼具组织控制和硬度控制的矿用圆环链钢23MnNiMoCr54的退火工艺，其特征在于，连续退火炉采用分区式加热，分为14个区域，其中，1～2区为加热段，3～4区为高温均热段，5～10区为低温均热段，11～14区为缓冷段。
3.根据权利要求1所述兼具组织控制和硬度控制的矿用圆环链钢23MnNiMoCr54的退火工艺，其特征在于，在退火炉中进料速度为3～5m/h。
4.根据权利要求1所述兼具组织控制和硬度控制的矿用圆环链钢23MnNiMoCr54的退火工艺，其特征在于，所述加热段、高温均热段、低温均热段和缓冷段，每段的区间数可根据进料速度进行增加或减少，通过进料速度和区间长度控制保温时间。
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